Турбулентные газодисперсные потоки

Одним из направлений работы лаборатории в области турбулентных многофазных течений будут моделирование газодисперсных течений с инерционными твёрдыми или жидкими частицами (каплями) с особенным акцентом на явление кластеризации частиц. Это явление играет важную роль в самых различных физических процессах: от горения твёрдого и жидкого топлива до формирования планет из туманности. Аккумуляция инерционных частиц в пристенной зоне турбулентного газодисперсного течения приводит к резкому росту скорости осаждения частиц на ограничивающие поток поверхности, торможению потока вблизи них и ухудшению теплообмена.

Рис. 1. Аккумуляция частиц в пристенной турбулентности согласно (A.Soldati, C.Marchioli, 2012)

Схожие проблемы имеют место в газо/парожидкостных пузырьковых течениях, что крайне важно учитывать при моделировании широкого круга процессов от динамики дисперсно-пленочных парожидкостных течений в парогенераторах и ядерных реакторах до осаждения радиоактивных аэрозолей при аварийных выбросах из АЭС. Адекватное моделирование явления кластеризации дисперсной фазы является камнем преткновения для современных RANS-моделей турбулентных дисперсных течений, в то время, как более точные «прямые» лагранжевы методы траекторного моделирования дисперсной фазы в сочетании с DNS-моделированием турбулентности несущей фазы слишком трудозатратны для использования в инженерной практике. Многообещающим подходом к моделированию явления кластеризации частиц является подход, по сложности занимающий промежуточное положение между лагранжевым траекторным моделированием и RANS-моделями переноса статистических моментов, основанный на статистическом моделировании динамики частиц с помощью кинетического уравнения для функции плотности вероятности (ФПВ) частиц. Развиваемое в рамках проекта статистическое моделирование динамики частиц в турбулентном потоке позволит определить закономерности явлений кластеризации и аккумуляции частиц и наметить пути улучшения существующих равновесных эйлеровых моделей турбулентности дисперсной фазы с точки зрения описания явления кластеризации, что окажет существенный вклад в развитие инженерных методов моделирования турбулентных газодисперсных течений.

В ходе выполнения проекта разработан метод статистического моделирования динамики инерционных частиц в пристенной зоне турбулентного газодисперсного потока в плоском канале. При сравнительно малой трудозатратности метод хорошо описывает явление аккумуляции частиц в вязком подслое. Результаты моделирования находятся в хорошем согласии с данными прямого численного моделирования (DNS) в сочетании с Лагранжевым траекторным моделированием. 

Рис. 2. Распределение характеристик частиц по сечению плоского канала для различных чисел Стокса сравнение с данными DNS и Лагранжева моделирования (Marchioli et al., 2008)

Параллельно ведется исследование закономерностей аккумуляции частиц в турбулентных течениях аналитическими методами. С помощью метода сращиваемых асимптотических разложений показано наличие сингулярных решений для точного кинетического уравнения для функции плотности вероятности (ФПВ) местоположения и скорости частицы в форме Крамерса-Мойала. Показано, что внутреннее решение для ФПВ частицы соответствует степенной сингулярности концентрации частиц вблизи стенки, что соответствует хорошо известному явлению аккумуляции инерционных частиц в пристенной турбулентности. Получено аналитическое выражение для показателя степени 

Рис. 3. Показатель степени сингулярности концентрации частиц вблизи стенки в зависимости от времени релаксации частиц в единицах стенки согласно данным DNS (Marchioli et al., 2008)(symbols) и пример профиля концентрации частиц в пристенной области (TUE group data (Marchioli et al., 2008), на врезке). Линия – теоретическая зависимость, полученная асимптотическими методами.

сингулярности, которое, помимо числа Стокса, зависит только от автокорреляционной функции нормальной компоненты скорости среды: таким образом, негауссовость статистики скорости среды не влияет на показатель степени сингулярности концентрации. Полученная аналитическая зависимость показателя степенной сингулярности хорошо согласуется с данными DNS\Лагранжева траекторного моделирования (Marchioli et al., 2008).

Публикации

  1. Sikovsky D.Ph. Singularity of inertial particles concentration in the viscous sublayer of wall-bounded turbulent flows// Flow, Turbulence and Combustion. 2013 (submitted for publication)
  2. Sikovsky D.Ph. Singularity of inertial particles concentration in the viscous sublayer of wall-bounded turbulent flows// Turbulence, Heat and Mass Transfer 7, Proc. 7th Int. Symp., Palermo, Italy, 24-27 Sept. 2012. K.Hanjalic, Y.Nagano, D.Borello, S.Jakirlic (Editors). N.Y.: Begell House, 2012. P.-815-818.
  3. Сиковский Д.Ф. Осаждение инерционных частиц из турбулентного потока в каналах при больших числах Рейнольдса// Теплофизика и аэромеханика. 2011. Т.18. №2. С.245-264.
  4. Сиковский Д.Ф. Закономерности осаждения частиц из турбулентного газодисперсного потока в каналах// Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2010. № 1. С. 84-95.
  5. Sikovsky D.Ph. Asymptotic analysis of particle deposition from a wall-bounded turbulent flow// Turbulence, Heat and Mass Transfer 6. Proc. of 6th Int. Symp., Rome, Italy, 14-18 Sept. 2009. K.Hanjalic, Y.Nagano, S.Jakirlic (Editors). N.Y.: Begell House Inc., 2009. P. 777-780.
  6. Demenkov A.G., Ilyushin B.B., Sikovsky D.Ph., Strizhov V.F., Zaichik L.I. Development of diffusion-inertia model for particle deposition in turbulent flows// Journal of Engineering Thermophysics, 2009, V.18, №1, P.39-48.